太阳能熔融盐供热的CH_(4)-CO_(2)重整热化学储能反应热力学分析

以太阳能熔融盐为载热工质的CH_(4)-CO_(2)重整热化学反应是极具应用潜力的热化学储能技术,为探讨工业级CH_(4)-CO_(2)重整储能反应器在不同操作条件下热力学性能的变化规律,建立了基于太阳能熔融盐供热的CH_(4)-CO_(2)重整储能反应器的二维拟均相数学模型,通过数值模拟分析了反应混合物进口温度(T_(in))和进口摩尔流率(F_(tot,in))对反应器内温度、反应转化率和热化学储能效率等的影响规律。结果表明:当进口温度较高时(T_(in)=823 K),转化管内温度沿转化管轴向表现为先降低后升高的变化趋势;当进口温度较低时(T_(in)=573K),转化管内温度沿转化管轴向单调升高;T_(in)=573K下,随着进口摩尔流率的增大,反应转化率单调减小,化学储能效率呈现先增大后减小的变化趋势;在进口摩尔流率相同的条件下,进口温度越高,反应转化率和化学储能效率越大;T_(in)=823 K下,随着进口摩尔流率的增大,显热储能效率和热损失率减小,化学储能效率增大;F_(tot,in)=1 mol/s下,随着反应混合物进口温度的升高,化学储能效率与热损失率增大,显热储能效率减小。

镁含量对Ni/MgAl_(2)O_(4)催化剂甲烷干重整反应性能的影响

本研究采用溶剂蒸发自组装法制备了不同Mg含量的镁铝尖晶石(MgAl_(2)O_(4))载体,随后负载了金属Ni,并将该催化剂(Ni/x-MAO)应用于甲烷干重整制合成气反应。结合X射线衍射、氮气物理吸附-脱附和透射电镜等表征对催化剂的结构性质进行了分析,发现适量Mg的加入(10%-15%)有利于提高载体的比表面积,并形成耐高温的有序介孔结构。该结构可以将Ni颗粒限域在孔道内,有利于形成高分散、小晶粒的活性物种,其在高温反应下不易烧结。同时,H2-TPR和XPS结果表明,10%-15%的Mg含量有利于增强Ni与MgAl_(2)O_(4)的金属-载体相互作用,有效抑制Ni烧结,且其表面的活性氧物种有效抑制了积炭生成。在性能评价中,10%-15%Mg含量的Ni/MgAl_(2)O_(4)催化剂呈现出优异的CH4和CO_(2)转化率,在180 h的长周期活性评价期间,Ni/15-MAO催化剂的CH4和CO_(2)转化率分别保持在92.6%和92.5%左右,同时积炭量仅为0.89%,且反应后的Ni颗粒尺寸变化不大。

不同方法制备的Ni/ZrO_2-CeO_2-Al_2O_3催化剂对CH_4-CO_2重整反应的催化性能

采用水热合成法、溶胶凝胶法和共沉淀 负载法制备了相同NiO含量的Ni ZrO2 CeO2 Al2 O3催化剂 ,考察了它们在CH4 CO2 重整反应中的催化性能及稳定性 ,测定了积碳量 .用CO2 程序升温脱附方法测试了它们的CO2 吸附性能 ,用H2 程序升温脱附方法测试了表面Ni的分散度 .结果表明 ,随温度升高 ,CH4和CO2 转化率降低的顺序是 :溶胶凝胶法≈共沉淀 负载法 >水热合成法 ,并且反应产物中n(CO) n(H2 ) 比随温度升高而降低 .水热法和共沉淀 负载法制备的催化剂稳定性好 ,且前者的活性比后者高 ;溶胶凝胶法制得的催化剂活性较高 ,但易失活 .积碳量大小顺序是 :水热法 >溶胶凝胶法 >共沉淀 负载法 .与其他方法制备的催化剂相比 ,水热法制备的催化剂对CO2 的吸附量更大 ,而且积碳主要存在于载体上 。

流化床反应器中不同Ni/Al_2O_3催化剂上CH_4-CO_2重整反应性能的比较研究

采用浸渍法、溶胶-凝胶过程与普通干燥、超临界干燥过程相结合的方法制备了三种20%的NiO-Al2O3体系催化剂,利用BET、XRD、H2-TPR、H2-TPD等方法对各催化剂样品物化性质进行了表征,并考察了催化剂在流化床反应器中CH4-CO2重整反应的催化性能。研究结果表明,经923K焙烧后气凝胶催化剂中镍与载体间作用力最强,主要为固定NiO和尖晶石NiAl2O4结构,而浸渍型催化剂和干凝胶催化剂中镍与载体间作用力较弱。三种催化剂中,气凝胶催化剂具有比表面积较大、堆密度较低、Ni还原度及分散度较高的特点。它在流化床反应器中所形成的聚团流态化状态具有较高的床层膨胀率,大量多孔疏松状的纳米颗粒聚团在床内的循环运动有效地提高了传质效率,能使得生成的沉积炭快速得到气化,从而抑制了催化剂失活;对于浸渍型催化剂和干凝胶催化剂,流化床反应器中床层膨胀率较低、颗粒循环量较少、传质效率较低,易于造成催化剂表面积炭失活。经用TG和XRD等方法对反应后催化剂分析表征,证明催化剂表面石墨碳的沉积是导致浸渍型催化剂和干凝胶催化剂失活的主要原因。

Ni含量对介孔Ni-CaO-ZrO_2催化剂上CH_4-CO_2重整反应的影响研究

采用并流共沉淀法制备了Ni含量不同的介孔Ni-CaO-ZrO2纳米复合氧化物催化剂,研究了其在CH4-CO2重整反应中的催化性能。利用N2吸附-脱附(BET)、X射线粉末衍射(XRD)、程序升温还原(TPR)以及程序升温氧化(TPO)等手段对催化剂进行了表征。结果表明,Ni含量对催化剂的物化性质和催化性能有较大影响,低Ni含量的催化剂具备较完善的介孔结构,该种结构非常有利于Ni物种的分散及其在高温下的抗烧结能力,从而提高了催化剂的稳定性;但过低的Ni负载量会造成催化剂表面Ni活性位过少,进而影响催化剂的活性;另一方面,Ni含量过高会导致催化剂介孔结构的坍塌,Ni在反应条件下烧结严重,大尺寸的Ni颗粒会大大增加积炭的生成,从而造成催化剂失活。

分段电极介质阻挡放电CO_(2)重整CH4过程放电特性与反应性能研究

大气压低温等离子体可在温和条件下进行CO_(2)重整CH4反应,对环境保护和能源供应具有双重意义。介质阻挡放电(DBD)是进行该反应最常用的放电等离子体形式之一,但其工艺过程和反应性能受到反应器结构的显著影响。前期研究发现,分段电极DBD可以调节CO_(2)重整CH4反应过程的反应物转化率、产物分布及能量效率,但是分段电极数量和相邻电极间距对上述性能参数的影响机理尚不清晰。因此,该文设计了具有不同电极数量和不同相邻电极间距的分段电极DBD反应器,并用于CO_(2)重整CH4反应,从电学特性和温度特性的角度研究了不同实验条件下的放电特性,比较分析了对应条件下的CO_(2)重整CH4反应性能。结果表明,分段电极的引入可以增加放电边缘数量以增强边缘效应,且增加分段电极数量和增加相邻电极间距均可延长反应物的有效停留时间,上述因素均有助于提高等离子体CO_(2)重整CH4的反应性能。在施加电压11.0 kV条件下采用4段外电极时可获得最高的CO_(2)转化率(17.7%)和CH4转化率(29.5%),以及最大的CO选择性(36.0%)。而在2段电极结构中,当相邻电极间距为3 cm时,可获得最高的总反应物转化能量效率(0.334 mmol/kJ)。

镍基气凝胶催化CH_4-CO_2重整制取合成气反应的研究 Ⅱ.制备方法对Ni/CeO_2-Al_2O_3催化剂反应性能的影响

采用浸渍法、溶胶 凝胶过程与普通干燥、超临界干燥过程相结合的方法制备了三种 82 3K焙烧的NiO CeO2 Al2 O3 体系催化剂 ,分别为浸渍型催化剂 (iNCA5 5 0 )、干凝胶催化剂 (xNCA5 5 0 )和气凝胶催化剂 (aNCA5 5 0 ) ,考察了它们在CH4 CO2 重整反应中的催化性能及反应的稳定性 ,采用TG、TEM、XPS等手段研究了反应前后催化剂的结构性质。研究结果表明 ,在 10 73K、CH4 CO2 =1∶1、180 0 0mL h·g的反应条件下 ,三种催化剂中aNCA5 5 0在CH4 CO2 重整反应过程中的积碳量较大 ,但却具有最好的反应稳定性 ;aNCA5 5 0具有较大积碳量与其表面酸量较大、酸性较强及较大镍分散度有关 ,然而由于它具有较大的积碳容量和很强的金属抗烧结能力 ,因此保持了较好的反应稳定性。催化剂积碳和金属镍烧结导致催化剂表面活性中心数目减少是催化剂失活的主要原因。

CH_4-CO_2的高温半焦重整反应实验

以自制的半焦作为催化剂,研究了在小型的固定床中CH4和CO2的高温重整.实验表明,CH4,CO2在不同的催化剂和不同的温度下有不同的转化率,而且温度越高,CH4,CO2的转化率越高.在采用自制半焦制得的催化剂、温度为900℃且无N2作为平衡气的情况下,CO2和CH4的转化率分别为69.1%,28.9%,在1 050℃时,有N2其转化率则高达95.2%,91.2%.若没有催化剂存在,CO2和CH4转化率明显低于有催化剂存在的情况,如在1 000℃时,有催化剂下CO2和CH4的转化率分别为93.5%,76.6%,无催化剂时,转化率仅为32.0%,11.9%;加入适量的N2,可有效提高CH4的转化率.本实验证明了自制半焦催化剂能满足CH4-CO2高温重整反应的需要.

等离子体催化重整CH_(4)/CO_(2)中的等离子体强化表面反应动力学研究

采用实验测量和模拟预测相结合的方法,通过构建详细的机理并开展零维动力学模拟,研究等离子体催化CH_(4)/CO_(2)重整过程中等离子体活性物质对表面反应动力学的强化效应。结果表明:等离子体与催化剂的协同对CH_(4)和CO_(2)的活化转化能力远强于纯等离子体;动力学模型对反应物的消耗和产物的生成具有较好的预测能力;活性自由基与吸附态物质之间的E-R反应具有较高的反应活性,能有效改变并促进表面反应路径,如等离子体强化的E-R反应CH_(3)(s)+O→CH_(3)O(s)的速率比相应的吸附态物质之间的L-H反应CH_(3)(s)+O(s)→CH_(3)O(s)+Ni(s)的速率高4个数量级;等离子体催化CH_(4)/CO_(2)重整过程中的表面反应路径主要以气相物质与表面吸附态物质之间的E-R反应为主。

添加Mo,Ce的NiMgAl水滑石基催化剂对CH_4-CO_2重整反应的影响

基于传统共沉淀法制备了NiMgAl,NiMgAl-Mo和NiMgAl-MoCe类水滑石前驱体。将3种前驱体焙烧后得到的复合氧化物催化剂用于CH_4-CO_2重整反应体系中,考察了这3种水滑石基催化剂对反应气CH_4,CO_2转化率的影响。借助XRD,BET等对催化剂物化性能进行表征,通过程序升温还原(H_2-TPR)过程对各催化剂的还原性能进行检测。结果表明:以类水滑石化合物为前驱体制得的NiMgAl,NiMgAl-Mo和NiMgAl-MoCe等3种催化剂均具有介孔材料性质,NiMgAl基础上助剂Mo,Ce的适量添加会降低其比表面积,影响其氧化物的还原温度;650~1 000℃范围内,NiMgAl的催化能力相对较差,CH_4,CO_2的转化率均相对最低;添加Mo的NiMgAl-Mo催化剂能提高CH_4及CO_2转化率;而同时添加Mo,Ce的NiMgAl-MoCe催化剂能显著提升CH_4的转化率,但对CO_2的转化却有一定抑制作用。

水蒸气添加下介质阻挡放电CO_(2)重整CH_(4)反应研究

基于介质阻挡放电(DBD)装置,在添加水蒸气的情况下进行CO_(2)重整CH_(4)反应,考察水/碳摩尔比对放电特性和反应性能的影响。结果表明:在固定放电功率条件下,使DBD具有最强电荷传输能力和最高反应活性的最佳水/碳摩尔比为0.5;在常见产物合成气、烃类化合物的基础上,主要液态产物为甲醇、乙醇、乙酸和丙酸;在水/碳摩尔比为0.5的条件下,反应物转化率、H_(2)和CO产率、气相产物的选择性以及转化反应物、生成合成气和烃类化合物的能量效率达到最大值;增加水/碳摩尔比在抑制醇类化合物生成的同时促进酸类化合物的产生,由于总的液相产物生成量随着水/碳摩尔比的增加而逐渐减低,因而对应的能量效率也随之降低。此外,添加水蒸气能促使DBD CO_(2)重整CH_(4)反应保持良好的稳定性。

CH_4-CO_2重整转化反应器热平衡和流体阻力特性的研究

基于炭催化剂特性、原料气组成和重整转化反应器的尺寸参数,建立了重整反应器体系的物料平衡和热平衡方程;并针对形状不规则炭催化剂粒度分布的特点,研究了重整转化反应器内流体阻力特性。研究结果表明:1)CO和H2O的生成热量是系统的主要放热源,占系统热量收入的71.03%,吸热的主要反应为CH4和CO2的转化反应,其吸热量占系统热量支出的33.54%,高温气体带走的大量热量占54.11%,散热量占13.51%;2)炭催化剂床层的流体阻力是重整转化反应器流体阻力的主要部分,炭催化剂粒度越大,炭催化剂床层的阻力越小,最适宜粒度组成是25～35mm的占80%,15～25 mm的占15%,5～15 mm的占5%,此时炭催化剂床层的流体阻力为313.5Pa/m。

制备类水滑石催化剂与DBD等离子体协同用于CH_4-CO_2重整反应

利用共沉淀法制备了不同Al/Ce比例的Ni-Mg-Al-Ce类水滑石催化剂,协同介质阻挡放电(DBD)等离子体用于甲烷-二氧化碳重整反应。同时,采用XRD,BET,XPS对催化剂进行表征和分析。实验结果表明:Ce的加入使催化剂中存在较多的Ce^(3+)与Ce^(4+),可形成更多的表面氧空位,有利于催化性能的提高。当Ce含量较高时,催化剂的比表面积更大,增加了原料气停留时间和等离子体中高能电子与原料气的碰撞机率。

改进BP神经网络预测Ni/Al_2O_3催化CH_4-CO_2重整反应

CH_4-CO_2重整制合成气的反应可以实现CO_2的减排和C1资源的高效利用。这一反应受反应温度、原料气比例、催化剂种类等诸多因素影响,如果考察每种因素影响,势必大大增加实验的工作量。人工神经网络以其超强容错性、并行处理、可学习和自适应等优点,在非线性预测方面具有明显的优势。本文基于Ni/Al2O3催化CH_4-CO_2重整反应过程,采用改进的BP神经网络建立了关于CH_4转化率、CO_2转化率和H_2/CO比的预测模型,结果表明,采用改进BP神经网络在此研究中具有更快的收敛速度和更好的网络稳定性,其收敛次数仅为BP神经网络的58.86%;改进BP神经网络模型的敏感度分析表明,输入因素对反应结果影响的顺序为:反应温度>Ni负载量>平均孔径≈比表面积≈孔体积。

煅烧还原一步制备Ni基催化剂及在CH_4-CO_2重整反应中的应用

采用大豆油研磨法制备了Ni/C-SiO_2系列催化剂,并用于CH_4-CO_2重整反应。通过XRD、TG-DTG、BET、H_2-TPR、CO_2-TPD等对催化剂进行了物理性能表征,利用固定床连续反应对催化剂进行了催化性能测试。结果表明,研磨法制得的催化剂前驱体在惰性气氛N2中煅烧后,催化剂上的镍元素全部转变成了Ni^0,实现了煅烧还原一步制备中孔Ni基催化剂。CH_4-CO_2重整反应后的催化剂上存在两种炭,一种是催化剂制备时残留的碳源炭,另一种是重整反应过程中产生的可致催化剂失活的积炭。考察了助剂CeO_2、ZrO_2、La_2O_3对催化剂性能的影响,结果表明,与Ni/C-SiO_2催化剂相比,Ni-CeO_2/C-SiO_2、Ni-ZrO_2/C-SiO_2、Ni-La_2O_3/C-SiO_2催化剂中Ni^0的粒径降低了,Ni-CeO_2/C-SiO_2、Ni-La_2O_3/C-SiO_2催化剂的反应活性提高了,反应后Ni-ZrO_2/C-SiO_2、Ni-La_2O_3/C-SiO_2催化剂上的积炭减少了。助剂La_2O_3不仅提高了催化剂活性,而且降低了催化剂上的积炭量,使用Ni-La_2O_3/C-SiO_2催化剂进行CH_4-CO_2重整反应,总碳转化率达到了52%。

Mo对Ni-Mg-Al水滑石催化CH_4-CO_2重整反应的影响

在Ni-Mg-Al水滑石催化剂体系中引入不同质量分数的Mo后,Mo可插入到Ni-MgAl水滑石层状结构中;经过焙烧后,Mo可进入NiO-MgO固溶体结构中,形成了非常稳定的Mo物种,即使在800℃下也不能将其还原成单质Mo.当Mo质量分数为1%和3%时,能有效地增强金属Ni与载体的相互作用力,抑制Ni金属的烧结和积碳;当Mo质量分数大于5%时,过量的Mo破坏了稳定的Ni-Mg-Al水滑石层状结构,导致Ni与载体的相互作用力减弱,并在反应过程中生成MoO3物种,覆盖了活性金属位,导致催化剂活性和稳定性下降。

La对CH_4-CO_2重整反应催化剂性能的影响

采用等体积浸渍法制备了Ni/γ-Al2O3和Ni/La2O3-γ-Al2O3系列催化剂,通过固定床反应、热重分析等方法,考察了催化剂的性能。结果表明:Ni质量分数为10%的Ni/γ-Al2O3催化剂具有较高的活性;稀土元素La的加入,提高了催化剂的抗积炭性能;在相同的反应条件下,10%Ni/3%La2O3-γ-Al2O3催化剂的积炭量比10%Ni/γ-Al2O3催化剂积炭量降低了40%,稳定性大大提高。以Ni/La2O3-γ-Al2O3催化剂中Ni质量分数10%,并且La质量分数3%为最佳,实验条件下制得的合成气CO/H2接近1/1。

CaO对CH_4-CO_2重整反应催化剂性能的影响

采用浸渍法制备了Ni/CaO-γ-Al2O3系列催化剂,并通过固定床连续反应考察了催化剂在CH4-CO2重整反应中的活性。结果表明:CaO助剂的加入能提高Ni基催化剂的活性,以CaO含量5%为最佳;采用共浸渍法制得的催化剂活性较高;焙烧温度723 K和还原温度823 K时催化剂活性较高;使用最佳条件下制得的催化剂,973 K下进行CH4-CO2重整反应,总碳转化率达到83.4%。

CO_2重整CH_4纳米ZrO_2负载Ni催化剂的研究(Ⅱ)──催化剂组成与反应条件对催化剂性能的影响

研究了粒径为 1 5～ 1 8nm的纳米 Zr O2 -AS负载 Ni催化剂对 CO2 重整 CH4制合成气的催化性能 ,结果表明 ,Ni/Zr O2 -AS催化剂对重整反应的超常稳定催化作用不受 Ni含量的影响 ,但当 Ni质量分数低于1 0 %时 ,催化剂活性随 Ni含量增加而显著上升 ,此后 ,CH4和 CO2 的转化逐渐接近其热力学平衡值 .高空速虽然降低了反应物的转化率 ,但可得到更高的时空产率 .各种表征数据揭示 ,Ni/Zr O2 在结构上有别于传统的负载型催化剂 ,可看成是由尺寸相当 ( 1 0～ 2 0 nm)的纳米金属 Ni和纳米 Zr O2 形成的纳米复合物催化剂 .

制备方法对Ni-Al2O3催化剂在CO2-CH4重整反应中催化性能的影响

为提高镍基催化剂的干法重整活性,采用溶液燃烧法、等体积浸渍法、胶体磨循环浸渍法和水热-沉积法制备了SCM、IM P、T310和HTP四种催化剂,在800℃考察了其在CO2-CH4重整反应中的催化性能,并结合ICP-AES、N2吸附-脱附、XRD、H2-TPR和TEM等表征手段对催化剂进行分析。结果表明,水热-沉积法和胶体磨循环浸渍法制备的催化剂比表面积较大,分别为190.83和182.21 m2/g,可为反应提供较多的接触面积,进而提高催化剂的初始活性(HTP试样CH4和CO2初始转化率相对较高,分别达85.15%和90.84%);而溶液燃烧法和等体积浸渍法制备的催化剂具有较多的Ni Al2O4尖晶石,其还原峰面积占总还原峰面积90%以上,还原后可获得更多晶粒粒径更小的稳定活性组分Ni(SCM和IMP试样稳定性更好,反应50 h后活性超过HTP和T310试样,100 h后CH4转化率方降至50%以下)。因此,决定催化剂稳定活性的更重要的因素应该是活性组分Ni晶粒粒径的大小及其抗烧结能力的强弱。